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南工孫庚志課題組Nano Lett.：界面結(jié)合和層間距調(diào)控協(xié)同作用獲得具有優(yōu)異超級電容性能的仿貝殼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)MXene/纖維素纖維
2023-06-17  來源：高分子科技

  據(jù)GRAND VIEW RESEARCH報道，可穿戴電子產(chǎn)品的市場規(guī)模在2022年達(dá)到610億美元，并保持快速增長。儲能電子設(shè)備作為可穿戴電子產(chǎn)品的“心臟”受到了廣泛關(guān)注。纖維狀超級電容器具有質(zhì)量輕、柔性好、可編織、循環(huán)壽命長、充放電速度快等優(yōu)勢，作為電荷存儲和能源供給系統(tǒng)在可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。MXene因其具有良好的導(dǎo)電性和較高的理論容量，成為纖維狀超級電容器理想材料之一。然而，Ti3C2TX納米片間弱的界面結(jié)合作用使得濕法紡絲技術(shù)在制備MXene纖維中存在挑戰(zhàn)，同時獲得的纖維材料機(jī)械強(qiáng)度低。為了提高MXene纖維的力學(xué)性能，研究人員一般采用聚合物作為粘結(jié)劑來增強(qiáng)Ti3C2TX納米片之間的界面相互作用，進(jìn)而提高應(yīng)力傳遞效率。但是，Ti3C2TX納米片的負(fù)載量和MXene纖維的導(dǎo)電性會受到嚴(yán)重影響，不可避免地導(dǎo)致MXene纖維體積容量降低和電化學(xué)動力學(xué)緩慢。


  在MXene纖維的設(shè)計過程中，致密性和片層間相互作用是獲得優(yōu)異力學(xué)性能的兩個重要參數(shù)；層間距則有助于暴露更多活性位點，加快離子傳遞速率，提高輸出電容量。針對以上問題，南京工業(yè)大學(xué)孫庚志教授課題組受貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了通過界面結(jié)合和層間距調(diào)控協(xié)同作用設(shè)計具有優(yōu)越超級電容性能的強(qiáng)MXene-纖維素（CMC）復(fù)合纖維。柔性的CMC分子含有豐富含氧基團(tuán)，通過與Ti3C2TX間氫鍵作用有效地橋接相鄰納米片，同時擴(kuò)大MXene層間距。含99 wt% Ti3C2TX納米片（M-CMC-1.0%）的復(fù)合纖維表現(xiàn)出81 MPa的拉伸強(qiáng)度和885.0 F cm?3的體積電容，均遠(yuǎn)2倍于純MXene纖維。更重要的的是，M-CMC-1.0%復(fù)合纖維相較于文獻(xiàn)報道的其它MXene基復(fù)合纖維具有更優(yōu)秀的倍率性能；M-CMC-1.0%復(fù)合纖維構(gòu)筑的全固態(tài)超級電容器展現(xiàn)出高比電容（199.5 F cm?3）、高能量密度（17.7 mWh cm?3）、高功率密度（1186.9 mW cm?3）、長循環(huán)壽命以及大形變承受力。這項工作證明了通過優(yōu)化界面作用和層間距，可以實現(xiàn)Ti3C2TX纖維力學(xué)和電化學(xué)性能的同時提升。


  圖1展示了MXene-CMC復(fù)合纖維的制備流程，CMC分子與Ti3C2TX納米片之間通過氫鍵作用形成仿貝殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)。 


圖1 MXene-CMC復(fù)合纖維的制備流程圖


  圖2對濕法紡絲制備的MXene復(fù)合纖維進(jìn)行了表征，證實了CMC在MXene復(fù)合纖維中發(fā)揮間隔劑和連接劑的作用。 


圖2 MXene-CMC復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)表征


  圖3探究了界面作用和層間距對濕法紡絲制備的MXene復(fù)合纖維力學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)率以及電化學(xué)性質(zhì)的影響。 


圖3 不同CMC含量對MXene復(fù)合纖維力學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)率和電化學(xué)性質(zhì)的影響


  圖4對濕法紡絲制備的MXene復(fù)合纖維電化學(xué)動力學(xué)進(jìn)行測試，證明M-CMC-1%復(fù)合纖維具有最快的離子傳遞速度。 


圖4 MXene-CMC復(fù)合纖維電化學(xué)動力學(xué)


  圖5表征了MXene-CMC全固態(tài)對稱纖維狀超級電容器的電化學(xué)性能并展示了其潛在應(yīng)用。 


圖5 MXene-CMC全固態(tài)對稱纖維狀超級電容器及其應(yīng)用演示


  該工作以“Nacre-Inspired Strong MXene/Cellulose Fiber with Superior Supercapacitive Performance via Synergizing the Interfacial Bonding and Interlayer Spacing”為題發(fā)表在《Nano Letters》上（DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01307）。文章第一作者是南京工業(yè)大學(xué)博士生王慧芳，該研究得到國家自然科學(xué)基金的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01307


作者簡介：



第一作者：王慧芳，南京工業(yè)大學(xué)2021級柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院/先進(jìn)材料研究院博士研究生，主要研究方向為功能纖維在可穿戴器件中的應(yīng)用。以第一作者在Applied Surface Science、Nano Letters期刊上發(fā)表SCI論文2篇。



通訊作者：孫庚志，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授、博士生導(dǎo)師、江蘇特聘教授。近年來在Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano等國際期刊發(fā)表SCI論文170余篇，6篇入選ESI高被引論文，1篇入選熱點文章。先后主持國家自然科學(xué)基金2項、江蘇省自然科學(xué)基金1項、江蘇省六大人才高峰B類項目。長期擔(dān)任Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等國際期刊的審稿人。


  課題組網(wǎng)頁：http://iam.njtech.edu.cn/info/1031/3476.htm


  歡迎具有材料、化學(xué)、物理、電子背景的研究生、博士后加盟本課題組！請將簡歷、求職信和研究報告，發(fā)送至iamgzsun@njtech.edu.cn

  下載：Nacre-Inspired Strong MXene/Cellulose Fiber with Superior Supercapacitive Performance via Synergizing the Interfacial Bonding and Interlayer Spacing

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（責(zé)任編輯：xu）
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